_中國學(xué)者首次分析揭示質(zhì)子內部橫動(dòng)量依賴(lài)的螺旋度分布----中國科學(xué)院蘭州分院

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科研進(jìn)展

中國學(xué)者首次分析揭示質(zhì)子內部橫動(dòng)量依賴(lài)的螺旋度分布

發(fā)表日期：2025-03-28來(lái)源：近代物理研究所【放大縮小】

近日，來(lái)自北京大學(xué)、山東大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所的研究團隊—橫向核子層析合作組—在質(zhì)子自旋結構研究中取得突破性進(jìn)展，首次成功提取了質(zhì)子中橫動(dòng)量依賴(lài)的部分子螺旋度分布函數（TMD helicity distributions）。這一研究成果以“First Extraction of Transverse-Momentum Dependent Helicity Distributions”為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

自上世紀80年代“質(zhì)子自旋危機”揭示夸克自旋僅貢獻質(zhì)子自旋的一小部分，質(zhì)子自旋結構即成為粒子物理領(lǐng)域的一個(gè)長(cháng)期謎題。精確測量質(zhì)子三維自旋結構也是未來(lái)電子離子對撞機等國際大科學(xué)裝置的主要物理目標之一。

此項研究采用量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）橫動(dòng)量依賴(lài)的因子化理論框架，在次領(lǐng)頭階（NLO）和次次領(lǐng)頭對數（NNLL）對全球已有的半單舉深度非彈性散射（SIDIS）過(guò)程橫動(dòng)量依賴(lài)縱向雙自旋不對稱(chēng)度實(shí)驗數據進(jìn)行了全局分析?；跀祿慕y計誤差和系統誤差以及數據之間的關(guān)聯(lián)，分析結果顯示上夸克和下夸克的TMD helicity分布有顯著(zhù)非零信號，并且其橫動(dòng)量積分結果與共線(xiàn)螺旋度分布（collinear helicity distributions）相符合，而?？淇撕湍z子的分布仍存在較大的不確定度。

研究同時(shí)揭示在價(jià)夸克主導的中等縱向動(dòng)量分數x區域，夸克極化度隨橫動(dòng)量增加而下降。這一結果直接驗證了馬伯強教授于30年前所指出的Melosh-Wigner轉動(dòng)這一相對論運動(dòng)學(xué)效應是造成質(zhì)子自旋“丟失”的主要物理機制[1,2]。而另一方面，在?？淇酥鲗У妮^小x區域，研究發(fā)現夸克極化度隨橫動(dòng)量變化呈現出相反變化趨勢，意味著(zhù)質(zhì)子自旋結構在該區域存在著(zhù)復雜的強相互作用動(dòng)力學(xué)效應。中國極化電子離子對撞機將有望在?？淇藚^域大幅提高質(zhì)子三維自旋結構的測量精度。

橫向核子層析合作組自2022年以來(lái)先后完成Sivers分布函數[3]，橫向極化分布函數（transversity）與Collins碎裂函數[4]，和橫縱度分布函數（trans-helicity worm gear）[5]的全局擬合。對TMD helicity分布函數的首次提取不僅是在深入理解質(zhì)子三維自旋結構邁出的關(guān)鍵一步，還為下一代高精度實(shí)驗測量提供了理論支撐。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生楊科為論文第一作者，山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院劉天博教授、中國科學(xué)院近代物理研究所孫鵬、趙宇翔研究員、北京大學(xué)物理學(xué)院馬伯強教授為通訊作者。